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Química estructural

Estructura de la vitamina B12 , reconocida con el Premio Nobel de Química de 1954 en 1964. [ 1 ] Estructura química del pentóxido de fósforo en 2D La química estructural forma p...

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Estructura de la vitamina B12 , reconocida con el Premio Nobel de Química de 1954 en 1964. [ 1 ]
Estructura química del pentóxido de fósforo en 2D

La química estructural forma parte de la química y se ocupa de la conectividad y la forma de las especies químicas individuales, que incluyen moléculas , iones y polímeros . La estructura es fundamental para comprender el comportamiento de las especies químicas, por lo que este tema es esencial. La estructura está integrada en las principales ramas de la química, es decir, la química inorgánica [ 2 ] y la química orgánica [ 3 ] . Un indicador de la importancia de la química estructural es que muchos de los Premios Nobel de Química se han otorgado por descubrimientos estructurales o técnicas importantes para determinar la estructura [ 4 ] .

La estructura química de una molécula es la disposición espacial de sus átomos y sus enlaces químicos. Su determinación incluye la especificación por parte del químico de la geometría molecular y, cuando sea factible y necesario, la estructura electrónica de la molécula objetivo u otro sólido. La geometría molecular se refiere a la disposición espacial de los átomos en una molécula y los enlaces químicos que mantienen unidos a los átomos y puede representarse mediante fórmulas estructurales y modelos moleculares ; [ 5 ] las descripciones completas de la estructura electrónica incluyen la especificación de la ocupación de los orbitales moleculares de una molécula . [ 6 ] [ 7 ] La determinación de la estructura puede aplicarse a una variedad de objetivos, desde moléculas muy simples (p. ej., oxígeno o nitrógeno diatómico ) hasta otras muy complejas (p. ej., como proteínas o ADN ).

En química, el término "estructura" adquiere distintos significados según la escala espacial y temporal. En lo que respecta a las escalas espaciales, a nivel local, la estructura se refiere a las distancias y ángulos interatómicos. A mayor escala, la simetría y la periodicidad son descriptores importantes.

Estructura del cloruro de sodio que muestra el empaquetamiento de los iones Na + y Cl - y visualiza los poliedros , octaedros en este caso, definidos por la ubicación de estos iones.

Historia

Las teorías de la estructura química fueron desarrolladas por primera vez por August Kekulé , Archibald Scott Couper y Aleksandr Butlerov , entre otros, alrededor de 1858. Kekulé propuso las primeras ideas sobre la valencia al sugerir que los elementos tenían un número preferido de enlaces químicos. Couper desarrolló los primeros diagramas de estructura química , formas de representar la estructura en papel. Butlerov fue el primero en utilizar el concepto de "estructura" en química y en reconocer que los compuestos químicos no son un conjunto aleatorio de átomos y grupos funcionales, sino que poseen un orden definido por la valencia de los elementos que componen la molécula. [ 4 ]

En 1883, Alexander Crum Brown dedujo la estructura cristalina del NaCl y construyó un modelo del mismo utilizando agujas de tejer y ovillos de lana. También propuso una estructura para el ácido etanoico que coincide con los modelos modernos mucho antes de que se desarrollaran las técnicas experimentales de análisis estructural. [ 4 ]

A principios del siglo XX, solo la espectroscopia de luz visible proporcionaba información estructural directa, pero esto cambió rápidamente. En 1915, William Henry Bragg y su hijo William Lawrence Bragg recibieron el Premio Nobel por desarrollar las primeras formas de análisis de la estructura cristalina por rayos X, y en 1922, Francis Aston fue galardonado con el premio por la creación del primer espectrómetro de masas . El descubrimiento de la mecánica cuántica en la década de 1920 condujo a una sucesión de estudios físicos fundamentales que podían aplicarse a la determinación de la estructura química, incluyendo el efecto Raman , la espectroscopia Mössbauer y la resonancia magnética nuclear (RMN). A partir de la década de 1970, los detectores electrónicos y las técnicas de análisis asistido por computadora aumentaron drásticamente los datos estructurales y redujeron el tiempo necesario para crearlos y analizarlos. Especialmente notable para la química estructural fue el desarrollo de métodos directos de cristalografía de rayos X por Herbert A. Hauptman y Jerome Karle , lo que les valió el Premio Nobel de Química en 1985. [ 4 ]

Fondo

En lo que respecta a la estructura química, hay que distinguir entre la conectividad pura de los átomos dentro de una molécula (constitución química), una descripción de una disposición tridimensional ( configuración molecular , que incluye, por ejemplo, información sobre quiralidad ) y la determinación precisa de las longitudes de enlace, los ángulos y los ángulos de torsión, es decir, una representación completa de las coordenadas atómicas (relativas).

Al determinar las estructuras de los compuestos químicos , generalmente se busca obtener, en primer lugar y como mínimo, el patrón y el grado de enlace entre todos los átomos de la molécula; cuando es posible, se buscan las coordenadas espaciales tridimensionales de los átomos de la molécula (u otro sólido). [ 8 ]

Elucidación estructural

Los métodos mediante los cuales se puede determinar la estructura de una molécula se denominan elucidación estructural . Estos métodos incluyen:

Otras fuentes de información son: Cuando una molécula presenta un espín electrónico desapareado en un grupo funcional de su estructura, también se pueden realizar espectroscopías ENDOR y de resonancia de espín electrónico . Estas últimas técnicas cobran mayor importancia cuando las moléculas contienen átomos metálicos y cuando no se dispone de los cristales necesarios para la cristalografía o de los tipos de átomos específicos requeridos por la RMN para la determinación de la estructura. Finalmente, en algunos casos también se pueden aplicar métodos más especializados, como la microscopía electrónica .

Estructuras inorgánicas frente a estructuras orgánicas

En términos generales, la química estructural inorgánica se centra en los sólidos, especialmente en los sólidos cristalinos, ya que la gran mayoría de los compuestos inorgánicos son metales combinados con elementos no metálicos que forman sólidos. Estas estructuras suelen ser redes regulares de extensión infinita en 2 o 3 dimensiones. Esto permite la aplicación de métodos de difracción de rayos X y neutrones altamente efectivos para determinar la estructura química. [ 11 ] : 4

La química estructural orgánica se ocupa de moléculas finitas que a menudo existen en estados gaseoso, líquido y sólido bajo diferentes condiciones. Las moléculas finitas simples pueden estudiarse en la fase gaseosa mediante difracción de electrones, pero con frecuencia se requieren técnicas espectroscópicas junto con la teoría. [ 11 ] : 4

Metodología

Se han desarrollado numerosos métodos para determinar la estructura química. Las técnicas varían según la naturaleza de la muestra: gas, líquido y sólido. Una de las técnicas más importantes es la cristalografía de rayos X , que se utiliza para analizar sólidos. [ 12 ] [ 13 ] Otra técnica predominante es la espectroscopia de RMN , que se utiliza habitualmente en química orgánica , pero es aplicable a diversos tipos de muestras. [ 14 ]

Además de las estructuras estáticas, la química estructural también se centra en la dinámica, como la fluxionalidad . En estos casos, la escala temporal de la técnica debe coincidir con la escala temporal de la dinámica. Un ejemplo clásico es la dimetilformamida (DMF), cuya dinámica se analiza mediante espectroscopia de RMN dinámica. [ 15 ]

TeX para estructuras químicas

Chemfig y tikz son complementos de paquetes para LaTeX para estructuras químicas. [ 16 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ Dodson G (diciembre de 2002). "Dorothy Mary Crowfoot Hodgkin, 12 de mayo de 1910 – 29 de julio de 1994" . Biographical Memoirs of Fellows of the Royal Society . 48 : 181–219 . doi : 10.1098/rsbm.2002.0011 . PMID 13678070. S2CID 61764553 .  
  2. ↑ Holleman, Arnold Frederik; Wiberg, Egon (2001), Wiberg, Nils (ed.), Química inorgánica , traducido por Eagleson, Mary; Brewer, William, San Diego/Berlín: Academic Press/De Gruyter, ISBN 0-12-352651-5
  3. ↑ Smith, Michael B.; March, Jerry (2007), Química orgánica avanzada: reacciones, mecanismos y estructura (6.ª ed.), Nueva York: Wiley-Interscience, ISBN  978-0-471-72091-1
  4. 1 2 3 4 Rankin, David WH; Morrison, Carole A.; Mitzel, Norbert W. (2013). Métodos estructurales en química inorgánica molecular . Una serie de libros de texto avanzados de Wiley. Chichester, West Sussex, Reino Unido: Wiley. ISBN 978-1-118-46288-1.
  5. ↑ Haaland, Arne (2008). Moléculas y modelos: Las estructuras moleculares de los compuestos de los elementos del grupo principal . Oxford: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-923535-3OCLC 173809048​​ 
  6. ↑ Weinhold, Frank; Landis, Clark R. (2005). Valencia y enlace: una perspectiva donador-aceptor de orbitales de enlace natural . Cambridge, Reino Unido: Cambridge University Press. ISBN 0-521-83128-8OCLC 59712377​​ 
  7. ↑ Gillespie, Ronald J.; Popelier, Paul LA (2001). Enlace químico y geometría molecular: De Lewis a densidades electrónicas . Nueva York: Oxford University Press. ISBN 0-19-510495-1OCLC 43552798​​ 
  8. ↑ Wells, AF (12 de julio de 2012). Química inorgánica estructural (Quinta ed.). Oxford: Clarendon Press. ISBN  978-0-19-965763-6OCLC 801026482​​ 
  9. 1 2 Rankin, David WH (2 de enero de 2013). Métodos estructurales en química inorgánica molecular . Morrison, Carole A., 1972-, Mitzel, Norbert W., 1966-. Chichester, West Sussex, Reino Unido: Wiley. ISBN 978-1-118-46288-1OCLC 810442747​​ 
  10. ↑ Glusker, Jenny Pickworth (1994). Análisis de la estructura cristalina para químicos y biólogos . Lewis, Mitchell; Rossi, Miriam. Nueva York: VCH. ISBN 0-89573-273-4OCLC 25412161​​ 
  11. 1 2 Wells, A. F. (1975). Química inorgánica estructural. Reino Unido: Clarendon Press.
  12. ↑ David WH Rankin, Norbert W. Mitzel, Carole A. Morrison (2013). Métodos estructurales en química inorgánica molecular . Chichester: John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-97278-6.{{cite book}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  13. ↑ "Difracción de rayos X | Definición, diagrama, ecuación y datos | Britannica" . www.britannica.com . Consultado el 8 de diciembre de 2023 .
  14. ↑ Horst Friebolin (2010). Espectroscopia básica de RMN unidimensional y bidimensional . Wiley-VCH. ISBN 3527312331.
  15. ↑ HS Gutowsky; CH Holm (1956). "Procesos de velocidad y espectros de resonancia magnética nuclear. II. Rotación interna impedida de amidas". J. Chem. Phys . 25 (6): 1228– 1234. Bibcode : 1956JChPh..25.1228G . doi : 10.1063/1.1743184 .
  16. ↑ "Paquetes LaTeX útiles para química | Recursos de química computacional" .

Lecturas adicionales

  • Gallagher, Warren (2006). "Clase 7: Determinación de la estructura mediante cristalografía de rayos X". Química 406: Química biofísica (PDF) (apuntes de curso autopublicados). Eau Claire, WI, EE. UU.: Universidad de Wisconsin-Eau Claire, Departamento de Química . Recuperado el 2 de julio de 2014 .
  • Ward, SC; Lightfoot, MP; Bruno, IJ; Groom, CR (2016-04-01). "The Cambridge Structural Database" . Acta Crystallographica Section B. 72 ( 2): 171– 179. Bibcode : 2016AcCrB..72..171G . doi : 10.1107/S2052520616003954 . ISSN 2052-5206 . PMC 4822653. PMID 27048719 .